（电气工程专业论文）基于现场总线技术的家庭智能化控制网络的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 随着计算机网络技术和信息技术的进步家庭智能化网络得到了前所未有的发 展 家庭智能化网络的实现目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备 娱乐设备 家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中 或异地监视控制和家庭事务管理同时保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协 调然而目前家庭智能化网络的标准尚未统一许多技术问题还有待于进一步解 决因此家庭网络化目标的实现仍然需要长期不断的努力 论文对家庭智能化网络的结构进行了深入地探讨对家庭智能化网络的相关概 念进行了叙述简单介绍了当前现场总线的发展情况分析和比较几种目前主要的 现场总线技术 阐述了目前家庭智能化控制网络的组网方案 结合目前的发展情况 重点提出了基于can现场总线的家庭智能化控制网络的一种构架方案该方案应用 can现场总线技术搭建底层控制网络对家庭三表水表电表煤气表数据 火灾煤气泄漏入室盗窃等信号以及家用电器的状态进行采集和处理并将数据 上传给主控制界面满足家庭的绝大多数需求 同时论文介绍了利用重庆大学 美国微芯单片机实验室开发的pic18f458 实验板搭建家庭智能化控制底层网络模拟数据的采集和处理然后介绍了自己设 计rs-232-c-can接口卡的原因和实现方法以及基于pc机的家庭服务器的概念最 后论文对家庭智能化控制网络的软件程序编写思路作了详细的介绍并在不改变 系统结构和不增加成本的基础上利用delphi软件提供的网络通信组件编写了客 户机和服务器程序实现了在局域网内的远程监控家庭智能化网络还是一项比较 新颖的事物但发展十分迅速论文提出利用can总线组建家庭智能化控制网络的 方案具有可靠性高和成本低的优点是一个较好的解决方案 关键词家庭智能化控制网络can 现场总线远程监控 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract as the computer network and information technology is progressed home intelligent net is geting a more atention. the objective of home intelligent network is to use home bus technology to integrate all kinds of home devicessuch as communication devices home appliances and home security devicesinto an intelligent home system. based on the home systemhome information and appliances can be centrally or remotely monitoredcontrolled and managed. furthermorethis home system must be compatible with the home environment. howeverit would take long time to realize this objective because at present the criterion of home intelligent network has not been unified and many technology problems still exist. the paper deeply analyzes the framework and introduce interrelated conception of home intelligent network after that it simply introduces the conception and development of fieldbusanalyzes and compares some kinds of dominating fieldbuspresents a model based on can bus of home control network after the study on the scheme and technology of home control network.the data from three meters (water meterelectricity meterand gas meter) together with the signals from fire alarm gas leakage alarm and theft alarm are collected and processed by can control net. at the same timethe above collected and processed data is sent up to pc and can meet lots of needs. the microprocessor of whole control net is pic18f458 and designed application software with c language.the main software of pc use delphi7.0. at present the scheme achieves the remote control in local area network.home intelligent net is novelty but its development is very rapid.this scheme advanced in this paper has those characteristics of high reliability and low costaccordinglyworks out a new supervisory and control system in home intelligent net. key words home intelligent control netcan busremote control 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 自 1984 年在美国诞生第一座智能大厦以来 智能建筑的发展在世界范围内一浪 高过一浪从各种特殊功用的智能大楼到近几年已经全面向建筑行业最基本的内 容 民居住宅发展引起了住宅建筑本身智能型舒适性的革命性变化还带动 了家用电器的操作控制智能化产生了信息家用设备产业12智能建筑是信息时 代的必然产物建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高当今世界科学技 术发展的主要标志是 4c 技术即computer计算机技术control控制技术 communication通信技术crt图形显示技术而建筑智能化的目的是应用 现代 4c 技术构成智能建筑结构与系统在建筑物内建立一个计算机综合网络使 建筑物智能化 并结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全 舒适的生活 学习和工作环境空间34 踏入二十一世纪以来近年来兴起的现代高科技和信息技术正在由智能大厦走 向智能住宅小区进而走进家庭国外出现了网络房屋出现了与虚拟社区相对应 的网络社区 国内智能小区的建设也十分火爆 这其中的最基本单元就是智能家庭 智能家庭的迅猛发展依赖于以下两点5 (1) 市场的需求使智能家庭有很好的应用前景 在社会信息化进程日益发展的今天人们对住宅的要求已经从简单的希望有广 阔的空间和豪华的装修转向享受现代化精神内涵与浪漫生活情趣的方向发展人们 对自己住宅的关注已不再仅仅局限于居室面积周边自然环境交通等方面而是 把更多的兴趣和注意力放在与外界沟通信息服务安全防范物业管理等方面 现代社会的家庭成员正在追求家庭智能化带来的多元化信息服务并把追求安全舒 适与便利的生活环境作为一个理想的目标正是为了适应这种社会需求智能家庭 应运而生 (2) 信息技术的发展使智能家庭成为可能 网络技术不断进步使得在因特网的基础上诞生了内联网内联网本身基于 tcp/ip通信协议和www技术 集成单位已有的各类系统 实际上是一个开放 分布 动态的双向信息交流环境是对现有网络模式应用技术和信息资源的统一规划和 新的集成以企业为主要应用对象的内联网因为其昂贵的造价显然不适用于个 人家庭的信息服务因而如何构建一种适合个人家庭的网络成为很实际的问题 数字技术的发展和成熟使得广播计算机通信三者不断渗透会聚半导体 技术的发展特别是高速cpu和存储器的出现使信息的收集处理变得越来越快 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 电脑电视和信息家用设备的诞生使得一种适合多媒体业务的家用交互式用户终端成 为可能此外现场总线技术在家庭智能化控制网络中的应用给家庭智能化带来了 全新的解决方案监控技术的发展也推进了家庭智能化的进程 1.2 家庭智能化网络 1 . 2 . 1 家庭智能化网络的概念 6 7 家庭智能化是信息高速公路进入家庭的产物是it技术向传统建筑产业渗透发 展的必然结果家庭智能化网络指的是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体 的家庭信息化平台是一个在家庭范围内实现信息设备通信设备娱乐设备 家用电器自动化设备照明设备保安监控装置及水电气热表设备家庭求 助报警等设备互联和管理以及数据和多媒体信息共享的系统 1 . 2 . 2 家庭智能化网络的组成 8 9 家庭智能化网络是一种新的概念它提高了家庭生活学习工作娱乐的品 质是数字化家庭的发展方向具有潜在的巨大市场网络的概念已不再仅仅局限 于简单的控制部分而是覆盖家庭全方位的提供各种智能服务的网络系统具体 功能应该涉及安全服务 能源管理数据通信服务家庭环境控制和各种智能控制 总的说来家庭智能化网络主要由3个网络组成如图1.1所示 (1) 家庭控制网络 用于传送普通家用电器的控制信号和监视信号实现家用设备的远程监控保 证家庭安全 该系统对传输速率要求比较低 是家庭智能化网络中唯一的低速网络 数据传输速率只需几kb/s 家庭控制网络 家庭娱乐网络 家庭通信网络 家 庭 网 关 公 共 网 三表计量 空调 照明冰箱 微波炉 保安监控 dvd 音响 pda 数码相机 摄象机电视机 电话 传真机pc vcd 图 1.1智能家庭网络结构图 fig.1.1 the structure of intelligent home net 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 (2) 家庭娱乐网络 用于连接各种娱乐性家用电器如高清晰度电视机家庭影院等 (3) 家庭通信网络 用于传递数字与多媒体信息如电话传真计算机等包括浏览器聊天 网上购物等 1 . 2 . 3 家庭智能化网络的功能 1 0 家庭智能化网络一般应该具有以下一些功能 (1) 家庭自动化能够实现对家用电器设备的自动控制和远程控制对电表 水表和煤气表用量进行自动数据采集计量并将采集结果传送给小区物业管理系 统 (2) 家庭安全防范当发生盗窃火灾煤气泄漏等时通过电话线路或互联 网传送到报警中心或拨打用户主人手机传呼机当遇到意外情况如疾病或有 人非法侵入发生时通过报警按钮向小区物业管理中心进行紧急呼救 (3) 家庭通信与网络应用传递数字与多媒体信息如电话传真计算机等 包括聊天网上购物等等 (4) 娱乐连接各种娱乐性家用电器如高清晰度电视机dvd家庭影院等 当前家庭智能化是中国乃至全球的一大热点家庭智能化网络是未来家庭发 展的一大趋势随着计算机技术网络技术控制技术的迅猛发展特别是总线协 议和集散控制的发展家庭智能化网络必将向着高度灵活性和高度互操作性的方向 发展其智能化程度也将越来越高 1 . 2 . 4 家庭智能化网络中的软硬件技术 1 1 从组网技术看目前家庭智能化网络技术分为有线和无线两大类传输介质可 利用家里已有布线系统如电话线电力线同轴电缆结构化布线双绞线与光 纤或无线方式有线系统包括电力线标准 x-10cebus现场总线技术如 lonworks can 电话线联网 homepna 家庭娱乐电器联网 ieee1394 以太网等 无线系统包括家庭无线网络协议 home rf蓝牙协议 bluetooth和 ieee802.11 等 目前的通信标准协议方案及规范很多没有形成统一的标准底层的协议 标准与所选择的传输介质有关高层协议规范目前比较流行的有 havi jiniupnp hpnp 等12 (1) havi havi home audio video interoperability技术得到了索尼飞利浦和其他消 费电子产品公司的支持它以 ieee1394 为基础使来自不同厂商的数字音频视 频设备能够相互连接和操作以构成家庭娱乐性的 av音频和视频网络互操 作性是 havi标准的主要特性 能够很方便地实现家庭内部不同娱乐设备之间的互相 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 操作在家庭娱乐系统中一般采用这种协议 (2) jini jini 技术独立于具体的操作系统组网简单快捷和方便它是基于 java 语 言的分布式的对等基础结构是一种动态的自动化机制采用基于对象的协议能 够很方便地将家庭内部不同娱乐设备通信设备计算机和各种软件组合成一个动 态单一的分布式系统支持即插即用 (3) upnp upnpuniverse plug and play通用即插即用是 microsoft 1999 年提出的一种 基于 ip 技术的家庭网络解决方案 它采用基于数字的通信协议支持对等模型结构 和即插即用它独立于底层的物理媒体适用于多种编程语言和不同的操作系统 支持家庭内部所有信息家电和设备的联网 (4) hpnp home pnphome plug and play家庭即插即用规范是 honeywellintel microsoft 等公司为联网的家庭子系统即插即用制定的一个标准hpnp 不是一种语 言而是一种互操作规范它独立于网络的下层技术和协议运行于多种网络协议 之上该规范及其相关协议适用于家庭网络的所有解决方案可以实现家庭器具的 远程控制和配置对于组建完整的家庭网络具有重要意义 1 . 3 家庭智能化网络的研究现状和发展趋势 6 1 3 1 4 1 5 在家庭智能化网络的发展过程中美国一直处于世界领先水平其次是欧洲和 日本家庭网络控制部分的许多标准业已成熟并已在信息家电中得到实际应用数 据网络及娱乐网络也有相应的标准可循 如美国的 x-10 cebus 和 lonworks 标准 欧洲的 batibus.eib 和 europe home system标准日本的 hbs 标准以及一些工作 组发布的互操作和接口规范 其中 cebus 和 lontalk 协议已被 eia 发布为 eia-600 标准和 eia-709 标准并正向国际标准发展近年来以美国微软公司及摩托罗拉 公司等为首的一批知名企业也先后进入家庭智能化网络的研究及开发领域分别开 发了梦幻之家 家庭主任居所之门等家庭网络产品其智能化程度已 经得以体现 但现有系统在操作方式及方便使用方面离用户的要求还有一定的差距 问题主要表现在家庭内部各个部分的通信协议不同难以构成一个统一的家庭网络 系统即网络集成问题无法在应用层为用户提供方便统一的使用界面 即互操作 性问题进而延缓了相关市场的普及和家庭网络化的进程 国内厂商也在进行家庭智能化网络产品的研发和生产 一些大型 it 企业用自身 在资金与技术等方面的优势在低端产品市场上已占据了相当重要的地位一些传 统家电业的巨头也开始进入家庭智能化网络产业市场国内厂家主要有两个方向 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 一是基于非pc 平台的家庭网络系统 二是基于 pc 平台的家庭网络系统 然而由于 国内家庭智能化网络产品的研发从二十世纪九十年代后期起步在整体水平上显得 参差不齐软件功能较差升级能力差 系统也不易维护与国外仍有很大的差距 随着计算机技术控制技术通信技术的发展及关键技术的突破家庭智能化 网络将得到进一步的发展和完善家庭智能化网络的发展方向是绿色信息化与智 能化的结合家用设备接口的标准化设备控制的智能化系统功能的集成化客 户使用的傻瓜化和市场的平民化将是未来家庭智能化网络的发展趋势 1.4 本论文的主要任务 本论文通过对家庭智能化网络相关内容的介绍鉴于目前家庭智能化网络还未 形成统一的标准结合目前的发展情况主要描述了家庭智能化控制网络的一种构 架方案及其实现方法该网络采用目前流行的现场总线技术 can总线技术构 建将信息家用设备或其它家用智能设备最终连入小区宽带网络或整个internet网 实现一定的智能化功能和远程监控功能组网灵活方便适合分散的家庭应用并 具有系统的可扩展性 本论文主要完成以下几部分的工作 (1) 介绍家庭智能化网络的概念组成以及其功能特点包括目前流行的各种 高层规范和标准同时分析了家庭智能化网络的研究现状和未来趋势在目前家庭 智能化网络没有统一标准的前提下提出构建家庭智能化控制网络在现阶段更有实 际意义 (2) 对现场总线技术作了详细的介绍分析了现场总线技术的特点介绍了几 种常见的现场总线技术 详细比较了can和lonworks两种现场总线技术的特点 并 对can总线技术从分层结构工作原理性能分析等方面作了详细的叙述在阐述 目前组建家庭智能化控制网络的几种方案后详细描述了应用can总线组建家庭智 能化控制网络的方案 (3) 详细介绍了方案的实现方法包括系统的硬件平台 pic18f458单片机的性 能和特点 rs-232-c-can接口卡 系统的软件设计 智能节点软件 rs-232-c-can 转换协议上位机监控软件以及利用delphi7.0软件的网络控件把上位机做成一个 服务器应用程序另做一个客户端应用程序通过internet网技术实现基于局域网 的远程监控 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 6 2 现场总线技术 随着控制计算机通信和网络等技术的飞速发展信息交换技术将工厂的现 场设备层控制层和管理层的各个层次紧密地结合起来信息技术的飞速发展引 起了自动化领域的深刻变革并逐渐形成了网络化全开放全分布的自动控制体 系结构现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术16 2.1 现场总线技术的定义与形成1718 现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的全数字化双向传输多分 支结构的串行通信网络国际电工委员会iec61158标准将其定义为安装在制造和 过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式串行多点通信的 数据总线 现场总线是在实际需求的驱动下应运而生的在计算机数据传输领域内长期 以来使用rs-232-c和ccitt v.24通信标准尽管它们被广泛使用但却是一种低数 据速率和点对点的数据传输标准无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作 在复杂或大规模的应用中如工业现场控制或生产自动化领域需要使用大量的传 感器执行器和控制器等它们通常分布在非常广的范围内如果在最低层采用传 统星型拓扑结构那么安装成本和介质造价都将非常高昂采用流行的lan组件及 环形或总线型拓扑结构虽然可以减少电缆长度但是增加的lan介质及相关硬件 和软件又使其系统造价与星型系统相差无几 在传统的集散控制系统中大量的检测信号汇集到dcsdistributed control system的入口处不可避免地会出现瓶颈现象导致信号堵塞降低了系统 的安全性和可靠性用户迫切需要现场总线与智能化的现场仪表以便将60%-80% 的控制功能下放到现场仪表减少dcs处理信息的压力增强系统的可靠性和安全 性 另外传统的测控自动化系统采用电压电流的模拟信号进行测量控制或采 用自封闭式的集散系统难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换使自 动化系统成为自动化孤岛所以在最低层次上的确需要设计一种造价低廉而又 能经受现场环境考验的通信系统形成底层网络完成现场自动化设备之间的多点 数字通信实现底层现场设备之间以及现场与外界的信息交换 智能仪表为现场总线的出现奠定了基础honeywell公司于1983年推出了数字 信号420ma输出的差分信号驱动器 它在输出的420ma直流信号上叠加了数字信 号从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 7 自此以后的几十年间世界上几个大公司都相继推出了其智能仪表产品如 rosemount公司的1151foxboro的820860smar公司的cd301等rosemount公 司还采用了它自己的hart数字通信协议模拟数字混合仪表克服了单一模拟仪表 的多种缺陷 给自动化仪表的发展带来了新的生机 为现场总线的诞生奠定了基础 这种数字模拟信号混合运行的系统逐渐被具备通信功能传输信号全数字化可 实现智能仪表之间的信息交换处理多个信息和复杂计算的仪表与系统取代形成 了各具特色的现场总线 2.2 现场总线技术的特点19 由于现场总线控制系统具有全数字通信可互操作高度分散开放性好可 靠性高投资与维护成本低等优点它已经成为未来控制系统发展的必然趋势它 的逐渐完善和推广必将对自动化领域的发展产生重大影响 具体说来现场总线控制系统在技术上具有以下特点 (1) 现场通信网络 现场总线把通信线一直延伸到生产现场中的生产设备构成现场设备和现场仪 表互连的现场通信网络它的信号传输全数字化抗干扰强精度高这种方法极 大地提高了信号转换的精度和可靠性避免了模拟信号传输过程中的信号衰减精 度下降干扰信号的引入问题 (2) 现场设备互连 现场设备在现场总线系统中已成为由微处理器为控制核心的智能设备 彼此通 过一对信号传输线互连一对传输线与n台仪表间双向传输多个信号这种一对 n结构使得接线简单工程周期短安装费用低维护容易如果增加现场设备或 现场仪表只需并行挂接到电缆上无需架设新的电缆 (3) 互操作性 由于现场设备主要是通过对功能模块极其参数的标准化而实现可操作性因此 设备间有极好的可互操作性 这样用户可以自由选择不同制造商所提供的性价比最 优的现场设备和现场仪表并且不同品牌的仪表可以互连即使某台仪表故障换 上其它品牌的仪表照常工作实现即插即用用户在把不同制造商的各种品牌 的仪表集成在一起后进行统一的组态构成用户所需的控制回路 (4) 分散的功能块 现场总线系统废弃了分布式控制系统dcs的i/o控制站 将控制站功能分散在现 场仪表中用户通过选用现场仪表经过统一组态就可以构成控制回路实现彻底的 分散控制提高了系统的可靠性自治性和灵活性 (5) 开放式互连网络 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 8 现场总线为开放式互连网络所有技术和标准全是公开的所有制造商都必须 遵循这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络既可与同层网络互连也 可与不同层网络互连另外用户可极其方便地共享网络数据库 2.3 开放系统互连参考模型2021 开放系统互连open system interfaceosi基本参考模型于1983年成为正式 国际标准iso7498开放系统互连参考模型的目的是为协调系统互连标准 的开发提供一个共同基础在该参考模型中提供的是概念性和功能性结构而不 是互连结构设施和协议细节的精确定义 各层协议细节的研究是各自独立地进行的 osi参考模型的另一作用 是确定研究和改进标准的 范围并为维持所有有关 标准的一致性提供共同的 参考 osi参考模型及其各 有关标准都是技术规范 如图2.1所示模型把 开放系统的通信功能划分 为七个功能独立而又互相 关联的层次其中每一层 都定义了信息传送的一些 过程这些层次的组织是 以在一个通信会话中事件 自然发生的顺序为基础 的 由于osi参考模型具有七层结构因此它具备的通信功能相当齐全对于现场 总线应用来说由于总线上大量的节点均为工业现场的设备如传感器控制器和 执行器等相对而言各节点的通信信息量不大但对某些性能如传输速度和成本等 有一定的要求 因此典型的现场总线保留了osi参考模型中的第1层 第2层和第7层 为了提高协议的效率大多数现场总线省去了中间的第3层到第6层由于减少了中 间环节加快了数据传输的速度提高了网络通信和数据处理的实时性 2.4 几种有影响的现场总线技术 2 . 4 . 1 基金会现场总线f f 1 4 1 7 基金会现场总线fffoundation fieldbus是在过程自动化领域得到广泛支持 数据链路层 网络层 应用层 表示层 会话层 传输层 物理层 数据链路层 网络层 应用层 表示层 会话层 传输层 物理层 网络层 物理层 数据链路层 通信子网 图 2.1 osi 参考模型 fig.2.1 open system interconeection model 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 9 和具有良好发展前景的一种技术 其前身是以美国fisher-rosemount公司为首联合 foxboro横河abb西门子等80家公司制定的isp协议和以honeywell公司为首 联合欧洲等地150家公司制定的world fip协议这两大集团于1994年9月合并成立 了现场总线基金会致力于开发出国际上统一的现场总线协议 基金会现场总线分低速总线 h1 和高速总线 h2h1 的传输速率为 31.25kbps bps 即 bit/s位/秒的英文缩写通信距离可达 1900m与传输介质有关可用 总线供电支持本质防爆安全要求h2 的传输速率为 1 mbps750m或 2.5 mbps 500mh1 每段节点数最多为 32 个h2 最多为 124 个已有多家公司生产出带 h1 总线的芯片物理传输介质可为双绞线光缆和无线 其传输信号采用曼切斯特 编码 基金会现场总线以iso/osi开放系统互连模型为基础 取其物理层 数据链路层 应用层为ff通信模型的相应层次并在应用层上增加了用户层用户层主要针对自 动化测控应用的需要定义了信息存取的统一规则采用设备描述语言规定了通用 的功能块集ff总线包括ff通信协议用于完成开放互连系统模型中的27层通信 协议的通信栈 用于描述设备特性及操作接口的ddl设备描述语言 设备描述字典 用于实现测量控制工程量转换等功能的应用功能块实现系统组态管理等功能 的系统软件技术以及构筑集成自动化系统网络系统的系统集成技术 ff 现场总线标准尚在发展中因此产品开发难度大生产厂商少价格较贵 2 . 4 . 2 l o n w o r k s 总线 2 2 lonworks是由美国 echelon 公司开发并与 motorola 和东芝公司共同倡导 的现场总线技术它采用了 osi 参考模型全部的七层协议结构被誉为通用控制网 络lonworks 技术的核心是具备通信和控制功能的neuron芯片neuron芯片封装 了完整的 lonworks 通信协议 lontalk其上集成有三个 8 位cpu一个cpu 完成 osi 模型第1 和第 2层的功能称为介质访问处理器一个 cpu是应用处理器运 行操作系统与用户代码还有一个cpu 为网络处理器作为前两者的中介它进行 网络变量寻址更新路径选择网络通信管理等由 neuron芯片构成的节点之间 可以进行对等通信 lonworks 支持双绞线同轴电缆光纤射频红外线电力线等多种通信介 质并支持多种拓扑结构组网方式灵活其 is-78 本安物理通道使得它可以应用 于危险区域lonworks 通信速率从 300bps 至 1.5mbps 不等直接通信距离可达 2700m78kbps双绞线一个网络上的节点数最多可达 32000 个lonworks 应 用范围主要包括楼宇自动化工业控制等在组建分布式监控网络方面有较优越的 性能 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 10 2 . 4 . 3 p r o f i b u s 总线 1 4 1 7 profibusprocess fieldbus是符合德国国家标准 din19245 和欧洲标准 en50179 的现场总线包括 profibus-dpprof1bus-fmsprofibus-pa 三 部分profibus-dp 用于分散外设间的高速数据传输适合于加工自动化领域的 应用profibus-fms 适用于纺织楼宇自动化可编程控制器低压开关等方面 的应用profibus-pa 适用于过程自动化遵从 iec1158-2 标准它采用了 osi 模型的物理层数据链路层fms 还采用了应用层传输速率为 9.6kbps12mbps 最大传输速率为 12mbps100m传输介质为双绞线或者光缆可实现总线供电和 本质安全防爆profibus 支持主从方式纯主方式多主多从通信方式主站对 总线具有控制权 主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权 取得控制权的主站 可向从站发送获取信息 2 . 4 . 4 h a r t 总线 1 4 1 7 harthighway addressable remote transducer可寻址远程传感器高速通道 现场总线是由美国 rosemount 公司研制的 hart 协议参照 iso/osi 模型的第1 2 7 层即物理层数据链路层和应用层其特点是在现有模拟信号传输线上实现数 字信号通信属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品使用户可以在不对 已有现场仪表进行改进的情况下逐步实现数字化因而在当前的过渡时期具有较 强市场竞争力在智能仪表市场上占有很大的份额hart 可采取点对点或多主通 信方式可利用总线供电并可满足本质安全防爆要求传输媒介可使用双绞线 传输距离一般可达 1500m 但由于 hart 的模拟数字混合信号制导致难以开发出 一种能满足各公司要求的通信接口芯片 2 . 4 . 5 c a n 总线 2 3 2 4 cancontroller area network控制器局域网总线最早由德国 bosch公司推 出 其总线规范已被 iso制定为国际标准 iso11898intel motorola ti microchip philips nec 等公司已生产出带can 总线通信协议的单片机 can 控制器和can i/o 器件等支持can 总线的芯片其开发系统价格便宜现已在汽车和工业控制中 得到了广泛的应用 can 协议是建立在 iso 的开放性互连模型的基础上的不过只包括其第 12 7 层其信号传输介质为双绞线传输速率最高为 1mbps40m直接传输距离最 远可达 10km5kbps最多可连接 110 个节点 can 可用点对点一点对多点和全局广播等方式传递信息can 信息采用短 帧结构每一帧的有效字节数仅为 8 个因而传输时间短受干扰的概率低当某 一节点出现严重问题时能自动切断它与总线的连接使总线上的其它节点和通信 不受它的影响can 总线还采用了循环冗余校验crc和其它检错措施有极高 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 11 的信息传输可靠性 can 总线可实现全分布方式 无主机和从机之分 网络上任意节点都可以在任 意时刻主动向其它节点发送信息它采用总线仲裁技术如果出现信息发送冲突 优先级别低的节点主动停止发送而优先级别高的节点可继续发送表 2.1 为几种 现场总线的技术比较表 表 2.1 几种主要的现场总线技术比较表 table 2.1 the compare of several dominating fieldbus can 总线 lonworks 总线 profibus 总 线 ff 总线 hart 总线 研制公司 德国 boch公 司 美国 echelon 公司 德国 siemens 公司 基金会成员 美国 rodement 公司 参照 iso/osi 网络模型 物理层数据 链路层应用 层 物理层 数据 链路层 网络 层传输层 会话层 表示 层应用层 物理层数据 链路层应用 层 物理层数据 链路层应用 层增加了应 用层 物理层数据 链路层应用 层 网络操作系 统结构 对等式 主从式 对等 式客户机/ 服务器 主从式 客户机/服务 器 主从式对等 式 网络拓扑结 构 总线型 总线型星 型混合型 总线型树型 总线型树型 总线型 主要组成 通信协议 微 控制器接口 电路 神经元芯片 lontalk 协 议网络节 点 开发工具 fms 模块 dp pa 模块 通信控制器 芯片微处理 器媒体接口 电路 主要优点 非常高的可 靠性和性价 比 完全的开放 性 可靠性很 高实时性 好低成本 低成本高 效安全性好 价格低廉 实时性好 高的可靠性 实时性好 通信介质 双绞线同轴 电缆光纤 双绞线同轴 电缆光纤 电力线红外 线 屏蔽双绞线 光纤 双绞线 同 轴电缆光 纤无线电 双绞线 最大通信率 1.0mbps 1.25 mbps 12.0 mbps 2.5 mbps 1.2 mbps 最大通信距离 10.0km 2.7 km 1.2 km 1.9 km 3.0 km 最多节点数 110个 32385 个 127 个 156 个 15 个 2.5 lonworks 总线和 can 现场总线的比较2526 lonworks是从工业自动化领域发展起来的但现在已经渗透到楼宇能源家 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 12 庭等自动化控制领域在北美lonworks已经占据了大约40%的楼宇自控的市场在 90年代初就进驻了中国市场因此目前在国内的楼宇自控中也占有重要的地位由 于lonworks的全面性因此能构建大型网络控制系统而在楼宇自控中比较适合于 做信息量小的传输速率小于1.25mbps的babuilding automatization场合 can总线最初是为汽车行业设计的由于其优良的性能和极高的可靠性而推广 到了工业控制领域慢慢也向楼宇自动控制方向发展目前can已经应用于家用 电器和智能大厦中作为安防系统抄表系统家电控制等系统最底层的信息传输 的接口和通道鉴于其总线的特点can比较适用于实时性要求很高的小型网络 下面是两种总线的比较 (1) 协议 符合can高层协议devicenet和sds的产品分别在各自的协议范围内可以实现 互操作但是两个协议的产品之间是不能够互操作的原因在于can协议没有完全 定义iso/osi模型的所有层次第三层以上的协议层是由用户来完成的 lonworks的lontalk协议是一个开放固定可互操作的标准且其性能覆盖 了iec关于现场总线的推荐规范应用也更加灵活但是由于它为系统集成留下太 多余地造成不同配件的供货商对lonworks的解释和描述可能不同因而开发出的 产品也未必可以实现互操作 can协议是面向内容编址的通信协议面向内容的编址方案提高了总线系统的 吞吐率lontalk则采用逻辑地址的概念lonworks是可路由的通信协议路由器 的使用使得在lonwalks网络中现场装置之间可以利用相同或者不同的物理媒体通 过通道进行无缝的操作而can则不是可路由的通信协议 (2) 通信速率与效率 can的最大通信速率为1mbpslonworks最大为1.25mbps但是单纯的速率比 较会给用户造成很大的困惑如ff的hl现场总线的速率虽然只有31.28kbps但它的 通讯容量却比lonworks的1m速率通讯容量要高实际上通信速率与所采用的波特 率和物理媒体有关例如采用双绞线时最大通信速率下can和lonworks的通信距 离分别为40m和30m can的通信效率要比lonworks高lonworks采用了iso/osi模型的全部层次 在提高网络管理能力的同时也降低了其实时通信效率况且lonworks神经元芯片 采用的是8位的微控制器 这是lonworks系统运行速度较慢的一个重要原因 而can 仅仅采用了其中两层省略了在许多场合下都没有必要存在的中间层次而且采用 非破坏性的总线仲裁方法也提高了总线的吞吐能力虽然在应用中一个高层的协议 是必要的can的响应时间会受到iso/osi模型27层实现方法的影响但是通常 can具有小于2ms的响应时间 而lonworks在采用双绞线 1.25mbps通信速率和10m 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 13 时钟的情形下响应时间为l0ms左右即使在40m时钟5m网络通信速度下也需要2. 5ms左右的响应时间 (3) 物理媒体和总线拓扑 can可采用双绞线和光缆而lonworks采用了路由器因此支持大网络组网 更灵活可采用的媒体类型是现场总线中最丰富的 包括双绞线光缆同轴电缆 电力线红外线等还可以采用无线通讯方式can通常采用总线型拓扑而 lonworks可采用总线型星型环型或者自由拓扑结构拓扑结构更加灵活 (4) 可靠性 can总线用短帧的方法通讯受干扰的几率小而且检错手段丰富发送期间 若丢失仲裁或由于出错而遭到破坏的帧还可以自动重发 can节点在错误严重的情 况下可以自动关闭输出功能以使总线上的其它节点的操作不受影响lonworks 数据长度为0228个字节因此也可以收发短帧但是若一次传送的数据量太小时 由于采用七层协议其它开销比较大实际上降低了通信效率而数据长度增加时 又增大了受干扰的概率另外lonworks提供16位crc校验但不提供错误恢复能 力当一帧数据crc校验错时该帧被丢弃can对每个报文采用数据链路层的应 答来保证数据的可靠传输这种方式只能保证至少有一个节点接收到了报文有故 障的节点将不能接收报文lonworks提供传输层应答机制确保每个对报文感兴趣 的节点都接收到报文 (5) 接口芯片 can总线得到了计算机芯片商的广泛支持 它们纷纷推出直接带有can接口的 微处理器mcu芯片带有can的mcu芯片总量已经达到1亿3千万片不一定 全部用于can总线因此在接口芯片技术方面 can己经遥遥领先于包括lonworks 在内的其它所有现场总线 (6) 价格 lonworks产品价格不菲相比之下can总线产品价格要低廉得多 (7) 网络功能 由于can没有定义应用层因此本身几乎不具有高级的网络管理的能力而 lonworks提供了强大的网络管理和跟踪功能如地址分配节点查询节点测试 设置配置路由器的路由表 通过以上对比可以认为两种总线各有所长分别适合于不同场合和不同规 模的应用lonworks所实现的功能全面 这是lonworks成为智能建筑领域的主流现 场总线技术的重要原因can适用于小型的安全性和实时性要求高的系统特别 是对智能小区智能家庭而言还必需考虑到成本的制约因素因此用can总线组 网更适合 重庆大学硕士学位论文 2 现场总线技术 14 2.6 现场总线技术的展望和发展趋势2728 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点课题现场总线的研 究和开发使测控系统冲破了封闭系统的禁锢现场总线技术是控制计算机通 信技术的交叉和集成自动化系统的网络化是发展的大趋势现场总线技术受计算 机网络技术的影响深刻随着现场总线技术的应用日益广泛以及现场总线国际标准 的加紧制定现场总线技术正迅速地发展目前国内和国际现场总线技术正朝着以 下两个方向发展 (1) 兼容并蓄多总线集成 为了适应目前现场设备的多态性和用户需求多样性最大限度地抢占市场各 自动化供应厂商相继推出能够兼容多种现场总线的控制系统 如 ff 的急先锋 smar 公司的 system302 系统能够包容 profibushart 和 420ma 模拟信号西门子公司 的 pcs7系统能够包容 profibusdevicenetasinterface法国 alstom公司的 alspa 8000 兼容 ethernet worldfip hart 洛克威尔公司则推出由 ethernet controlnet devicenet 三层总线构成的系统但一方面由于各种现场总线的通信协议差别很大 要研制出所有不同控制网络中两两互连的网关设备是不可能的也是不现实的另 一方面dcs 系统仍未完全退出历史舞台它在可靠性开放性标准化方面的大 大改进使其必将继续存在一段时间此外如何以最小的经济代价来实现将目前大 中型企业中正常运行的 dcs 系统与现代的现场总线系统接轨也是急需考虑的问题 这些问题都不是某个自动化供应厂商通过兼容其它现场总线来完善自己的控制系统 就能解决的因此如何在现有的基础上实现不同现场总线的通信协议向某一公认网 络的统一转换是关键 (2) ethernet+tcp/ip 协议 随着计算机网络技术的迅速发展ethernet 和 tcp/ip 技术自然而然地进入了工 业现场ethernet 从最初 10mbps 以太网过渡到 100mbps 快速以太网和交互式以 太网直到目前的千兆以太网和光纤以太网由于带宽和速度的大幅提高从根本 上解决了由于 ethernet采用了 ieee802.3 定义的 csma/cd数据传输协议而造成网 络延时进而影响系统性能和稳定性的问题高速 ethernet具有结构简单成本低 开放性广泛的开发和应用软硬件支持的优点完全适用于工业标准的监控网络 目前许多控制系统设备提供